ES2267655T3 - Metodo de fabricacion de turbinas de vapor. - Google Patents

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Abstract

Un método de fabricación de turbinas de vapor (1), en el que cada turbina de vapor (1) se extiende a lo largo de un eje de la turbina (18), y que comprende una carcasa (2) y un rotor de turbina (5) para estar montado en forma giratoria dentro de la mencionada carcasa (2), la mencionada carcasa de la turbina (2) que comprende a lo largo del mencionado eje (18) de la turbina dos o más ranuras circunferenciales (11) para recibir los alabes (9) de la turbina, el mencionado rotor de la turbina (5) que comprende a lo largo del mencionado eje (18) de la turbina dos o más ranuras circunferenciales (10) para recibir las cuchillas giratorias (8), cada cuchilla (8) y alabe (9) tienen una sección (12; 13) de raíz respectiva para montar en la mencionada ranura respectiva (10, 11), y teniendo una sección de cuchilla activa (14), comprendiendo el método las etapas de: - fabricación de una pluralidad de las mencionadas carcasas (2) y/o el mencionado rotor (5) de la turbina para tener en existencias, - definición de la sección de la cuchilla activa (14) de al menos una etapa de la turbina (16) en forma independiente para cada turbina (1), de acuerdo con la especificación del perfil del fluido y de la presión para la turbina respectiva (1).

Description

Método de fabricación de turbinas de vapor.
Campo técnico
La invención está relacionada con un método para la fabricación de turbinas de vapor, que se extiende a lo largo de un eje de turbina respectivo, y que comprende una carcasa envolvente y un rotor de turbina, montados en forma giratoria dentro de la mencionada carcasa, por lo que la carcasa de la turbina y el rotor de la turbina comprenden a lo largo del mencionado eje de la turbina dos o más ranuras circunferenciales para recibir los alabes de la turbina y las cuchillas de la turbina giratorias, respectivamente.
Antecedentes de la invención
Debido a la continua y creciente demanda de potencia eléctrica, el periodo de tiempo para la instalación de nuevas plantas de energía y la flexibilidad de diseño y utilización de las turbinas son las mayores limitaciones para los fabricantes de turbinas. En la solicitud de patente alemana publicada numero DE-19702592-A1 se describe un diseño de la carcasa envolvente de una turbina de vapor industrial, la cual permite una adaptación flexible a las necesidades del cliente con respecto a la extracción del vapor bajo una presión diferente en ciertas localizaciones en la turbina de vapor. La carcasa envolvente de la turbina incluye una sección de extracción cuya distancia de la pared intermedia de la carcasa radial está inclinada dependiendo de la posición de la cuchilla siguiente. La carcasa envolvente de la turbina está compuesta por seccione de la carcasa, en la que la sección de extracción está dispuesta entre una sección de entrada del flujo y una sección de transición del lado del flujo de salida.
El documento "Diseño de grandes turbinas de vapor para estaciones generadoras de energía de combustibles fósiles y nucleares", XP002007571, de Kalderon, D., proporciona los antecedentes que han guiado la formulación de los principios de diseño y objetivos, y que describe el desarrollo de los componentes principales de las turbinas. Uno de los principios de diseño de guía adoptado fue la estandarización a través de los medios de "bloques de construcción", o módulos, para los cuales se adoptaba los cilindros de la turbina completa. Los diseños desarrollados de los cilindros de la turbina completa se encuentran descritos e ilustrados en este documento.
En el documento US-A-4948331 se proporciona una carcasa para una turbina de vapor de alta presión, la cual está adaptada para guardarse para la adaptación subsiguiente a las necesidades del cliente. La carcasa está hecha como una carcasa incompleta con una cámara cerrada entre una pared interior y exterior, y extendiéndose axialmente a lo largo de una longitud significativa de la carcasa. En este documento no se menciona el rotor de la turbina.
En el documento WO 98/3192-A1 se exponen unas turbinas de vapor que tienen un grado de reacción medio variable, que permite conseguir una flexibilidad más alta en el diseño de las turbinas de vapor. La turbina de vapor comprende una pluralidad de etapas de la turbina provistas a lo largo del rotor de la turbina, en el que cada etapa de la turbina comprende una estructura de cuchillas de guía, y un conjunto de cuchillas giratorias dispuestas axialmente. El grado de reacción medio que puede alcanzarse en una etapa de la turbina varía desde el 5% al 70%, por lo que el grado de reacción de al menos dos etapas de la turbina tiene un valor distinto.
La patente de los EE.UU. número 6213710 está relacionada con un método y un aparato para una turbomáquina con una carcasa exterior, y una carcasa interior i soporte de cuchillas para la compensación del empuje.
Sumario de la invención
Es un objeto de la presente invención el proporcionar un método para reducir el tiempo de entrega de una turbina de vapor, que comprende una carcasa y un rotor de la turbina para montar en forma giratoria dentro de la mencionada carcasa.
Con los objetos anteriores y otros objetos previsibles se proporciona, de acuerdo con la invención, un método para la fabricación de turbinas de vapor, en donde cada turbina de vapor se extiende a lo largo de un eje de la turbina y que comprende una carcasa y un rotor de la turbina para montarse en forma giratoria dentro de la mencionada carcasa. La carcasa de la turbina comprende a lo largo del eje de la turbina dos o más ranuras circunferenciales para recibir los alabes de la turbina y el rotor de la turbina (o eje de la turbina) comprende a lo largo del eje de la turbina dos o más ranuras circunferenciales para recibir las cuchillas giratorias. Cada cuchilla y alabe tienen una parte de la raíz para montarse en la ranura mencionada respectiva, y teniendo una sección de la cuchilla activa. La ranura en la carcasa puede servir también para recibir una estructura de cuchillas de guía, que comprende una pluralidad de alabes. El método comprende las etapas de fabricación de una pluralidad de las mismas carcasas mencionadas y/o de los mencionados rotores de la turbina en existencias, y definiendo la sección de la cuchilla activa de al menos una etapa de la turbina en forma separada para cada turbina, de acuerdo con la especificación, en particular con las especificaciones para el perfil del flujo y presión del vapor de cada turbina respectiva.
La invención procede desde la percepción de que en la fabricación de turbinas de vapor, la fabricación de grandes componentes de la turbina similares al rotor de la turbina (eje de la turbina) y las carcasas de las turbinas (armazones de las turbinas) es crítica por el consumo de tiempo y en el plazo de entrega. Esto es debido al hecho de que dichos componentes tiene que ser fundidos o soldados con precisión, y debido también a las dimensiones y al número restringido de proveedores, en que el periodo de tiempo para la realización del pedido para la recepción de los grandes componentes podría ser notablemente excesiva. Además de ello, puesto que el periodo de tiempo para la construcción y operación de inicio de una nueva planta de energía exige que se acorte debido a las exigencias del cliente, la invención soluciona el problema de un posible retardo en la construcción de la planta de energía debido al largo periodo de tiempo de entrega de los grandes componentes de la turbina de vapor. Mediante la fabricación de un número determinado de componentes semejantes de la turbina de vapor tal como el rotor de la turbina y la carcasa interior, estos componentes estarán disponibles fácilmente para las nuevas plantas de producción de energía. Puesto que los componentes son similares a las características individuales solicitadas por los clientes con respecto a la potencia de la energía a producir, las características de la presión del vapor, temperatura del vapor, extracción del vapor, etc., pueden cumplirse mediante la definición del recorrido del flujo del vapor individualmente para cada turbina de vapor, mediante el ajuste de la sección de las cuchillas activas de los alabes- y cuchillas. Puesto que los componentes grandes de las series de los modelos de turbinas de vapor tienen las mismas ranuras circunferenciales (la forma de las ranuras puede variar con la turbina de vapor de etapa en etapa) para recibir las cuchillas giratorias y los alabes de la turbina), es posible calcular, definir y diseñar las cuchillas y los alabes de la turbina por adelantado de forma que puedan cumplirse las especificaciones para cada turbina de forma individual. El recorrido del flujo dentro de la turbina de vapor que tiene una geometría dada de acuerdo con el rotor de la turbina y la carcasa de la turbina está definido por la sección de la cuchilla activa de los alabes de la turbina y por las cuchillas de la turbina dentro de cada etapa de la turbina. Mediante el ajuste de la sección de la cuchilla activa de al menos una etapa de la turbina en forma independiente para cada turbina, de acuerdo con un perfil del flujo y la especificación de la presión para la respectiva turbina, es posible utilizar la misma carcasa de la turbina y la misma geometría del eje de la turbina (por ejemplo, la misma serie de los modelos de la turbina) dentro de un rango de varios MW de potencia eléctrica de salida, en particular en el rango de 200 MW a 400 MW. A través de la invención, no siendo por tanto necesario dentro de un cierto rango de la potencia eléctrica de salida, el fabricar distintos componentes grandes de las turbinas, en particular, y en particular la carcasa de la turbina y el rotor de la turbina para cada nueva turbina. Puesto que pueden utilizarse la misma carcasa y el mismo tipo de rotor de la turbina dentro de un amplio rango de potencia eléctrica de salida para la turbina, mediante la definición de las secciones de las cuchillas activas de al menos una etapa de la turbina por adelantado, el periodo de tiempo de la construcción de una planta de producción de energía puede reducirse mediante el pedido de una pluralidad de estos grandes componentes, lo que significa que estos grandes componentes estarán siempre disponibles en las existencias del almacén.
De acuerdo con otra característica, la sección de la cuchilla activa de todas las etapas de la turbina está adaptada y diseñada por adelantado para cumplir con la especificación en particular de cada turbina respectivamente. El diseño de las secciones de las cuchillas activas y el calculo del recorrido del flujo del vapor y de las condiciones del vapor dentro de la turbina de vapor por adelantado, permite a los técnicos especializados en el arte el diseño de la turbina de vapor, para poder variar los parámetros y poder definir y calcular el perfil del flujo de vapor más apropiado para unas aplicaciones pre-especificadas, por ejemplo, una planta de energía determinada. El método puede ser aplicado a las turbinas de vapor en las nuevas plantas construidas de energía, así como también para las turbinas de sustitución en las antiguas plantas de energía.
De acuerdo con una característica adicional, las secciones de las cuchillas activas se ajustan mediante la predeterminación del ángulo de la cuchilla, el cual es el ángulo entre el borde delantero y la dirección del flujo del vapor, para cada etapa. Mediante el diseño de las secciones de las cuchillas activas individualmente para cada turbina, puede definirse la geometría de la cuchilla independientemente tanto en la sección transversal como a lo largo del eje de la cuchilla, de acuerdo con las especificaciones individuales de cada turbina. Puesto que las ranuras para todas las turbinas son las mismas para cada turbina, se utilizan los mismos perfiles de raíz y la parte de la raíz de las cuchillas y los alabes, que son aplicables también a la misma parte de la carcasa envolvente. La cuchilla o alabe de la turbina puede tener en la sección transversal el mismo perfil a lo largo de su eje de la cuchilla. A lo largo del eje de la cuchilla, el perfil de la sección transversal puede tener también el mismo ángulo de la cuchilla, o bien el ángulo de la cuchilla pueden cambiar a lo largo del eje de la cuchilla. Además de ello, la sección de la cuchilla activa puede doblarse y puede cambiar su perfil en la sección transversal a lo largo del eje de la cuchilla. Para los técnicos especializados en el arte, se encuentran disponibles varios métodos para el diseño y cálculo de una sección de cuchillas activas, como por ejemplo los mencionados en la solicitud internacional WO99/131199-A1. Una forma sencilla y eficiente para ajustar la sección de la cuchilla activa podría ser el uso de cuchillas y alabes de turbina que tengan un ángulo constante de la cuchilla, y un perfil constante de la sección transversal a lo largo del eje de la cuchilla, por lo que el ángulo de la cuchilla así como también el perfil de la sección transversal podrán variar a lo largo de las etapas de la turbina.
De acuerdo con una característica añadida, las turbinas de vapor son preferiblemente del tipo de turbinas de alta o media presión. La invención puede ser aplicada también a las turbinas de baja presión.
De acuerdo con una característica adicional de las turbinas que tienen una potencia eléctrica de salida que difieran entre sí en un rango de 200 MW a 400 MW, se utilizarán la misma carcasa y/o rotor de la turbina. Mediante el uso de la misma carcasa y/o rotor de la turbina, y definiendo las seccione de las cuchillas activas dentro de la turbina por adelantado, es posible utilizar las cuchillas y alabes de la turbina que tengan unas partes de la raíz que encajen en las ranuras respectivas estándar de la carcasa y/o el rotor que tengan el mismo perfil. De esta forma, utilizando las carcasas y/o rotores estándar que tengan las mismas ranuras para recibir los alabes de la turbina y/o las cuchillas giratorias de la turbina, será posible solo variar las seccione de las cuchillas y alabes activos que tengan una raíz estándar en cuanto a las partes envolventes estándar, para ajustar la potencia eléctrica de salida de una turbina dentro de un amplio rango de entre 200 MW y 400 MW.
De acuerdo con otra característica, las secciones de las cuchillas activas se seleccionan de forma que se mantenga igual para cada turbina un empuje, en particular un empuje axial, ejercido por el valor que fluya a través de la turbina en la propia turbina, en particular en la carcasa y/o en el rotor de la turbina. El empuje axial ejercido sobre los componentes de la turbina pueden ser una limitación adicional para poder ajustar y diseñar las seccione de las cuchillas activas. Proporcionando el mismo empuje o al menos casi el mismo empuje dentro de un rango permisible estrecho para todas las turbinas, se asegura que no tengan que aplicarse cambios en la construcción individual en la carcasa y/o rotor de la turbina, lo cual permitirá el uso de la misma carcasa y rotor para las turbinas que difieran en la potencia eléctrica de salida en varios MW, y en particular en varios cientos de MW.
Aunque la invención se ilustra y se describe aquí según lo realizado con un método de fabricación de turbinas de vapor, no se pretende sin embargo el limitar la misma a los detalles mostrados, puesto que pueden introducirse varias modificaciones y cambios estructurales en la misma, sin desviarse del espíritu de la invención, y dentro del rango de las equivalencias de las reivindicaciones.
El método de la invención, no obstante, conjuntamente con los objetos y ventajas de la misma se comprenderá mejor a partir de la siguiente descripción de las realizaciones específicas, al ser leídas en conjunción con los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra una vista en sección longitudinal de una turbina de alta presión del tipo de cilindro;
la figura 2 muestra una vista en sección longitudinal de una cuchilla giratoria, y
la figura 3 muestra un desarrollo de un anillo de cuchillas con una vista en sección transversal a través de una cuchilla giratoria perpendicular al eje de las cuchillas.
Descripción de las realizaciones preferidas
En las figuras del dibujo, los componentes correspondientes entre sí a otra realización mostrada a modo de ejemplo respectivamente, tendrán los mismos numerales de referencia. El dibujo está simplificado con el fin de destacar ciertas características.
Con referencia ahora a las figuras de los dibujos con detalle y en primer lugar en particular a la figura 1, se muestra una vista en sección longitudinal de una turbina de vapor de alta presión 1, en una construcción de forma de caldera. La turbina 1 de alta presión tiene una carcasa interna 2 (denominada también como armazón interno 2) y una carcasa externa 3 que rodea a la carcasa interna 2. El rotor 5 de la turbina (denominado también como eje 5) se extiende a lo largo del eje 18 de la turbina, y está montado en forma giratoria en la carcasa interna 2 para girar alrededor del eje 18 de la turbina. El rotor 5 tiene a lo largo del eje de la turbina varias ranuras 10 circunferenciales, recibiendo cada una un anillo de cuchillas 20 con una pluralidad de cuchillas 9 giratorias. La carcasa interna 2 tiene también a lo largo del eje 18 de la turbina, las ranuras 11 que se extienden circunferencialmente, y que reciben los alabes 8 de la turbina estacionarios (por ejemplo, en la forma de una estructura de cuchilla de guía). Entre dos anillos adyacentes de los alabes 8 de la turbina, se encuentra separado axialmente un anillo de cuchillas 20 de cuchillas giratorias 9. El anillo de alabes 8 forma conjuntamente con el anillo de cuchillas 20 de cuchillas giratorias 8 que se encuentra en la zona de aguas abajo en línea, el alabe 8 de una etapa 16 de la turbina. Cada alabe 8 de la turbina y cada cuchilla giratoria 9 tienen una sección de cuchilla activa respectiva 14, a lo largo de la cual fluye el valor 4. El vapor 4 está guiado y redireccionado por la sección 14 de la cuchilla activa de los alabes 8 para hacerlo circular eficientemente alrededor de la sección 14 de la cuchilla activa de las cuchillas giratorias 9, forzando por tanto el rotor 5 a girar. Cada cuchilla giratoria 9 tiene una parte de raíz 12, la cual se inserta en una ranura 10 respectiva del rotor, y a cada alabe 8 se le asigna una parte 13 de la raíz respectiva, la cual se inserta en la ranura 11 respectiva de la
carcasa.
El fluido 4, que es vapor presurizado caliente, que circula a través de la turbina 1 entra en la entrada P1 de presión, y abandona la turbina 1 en la salida de presión P2. La diferencia de presión entre la presión de entrada y la presión de salida conduce a un empuje axial no solo sobre la carcasa interior 2, sino también sobre el rotor 5 de la turbina. Dependiendo del tipo de los alabes 8 y de las cuchillas del rotor 9, se produce aquí una reducción de la presión distinta en el vapor 4 que fluye a través, y la reducción de presión tiene un efecto sobre el eje 5 y la carcasa interna. Sobre su exterior, la carcasa interna 2 tiene un área A1 que está sometida a la presión interna P1. El empuje axial que se genera sobre el área A1 se superpone sobre la fuerza axial de la carcasa interna 2, que surge sobre el área A2 por la presión P2, como resultado de lo cual tiene lugar la compensación del empuje axial en la última. En virtud de la compensación del empuje axial, la fijación 6 de la carcasa interior 2 con respecto a la carcasa exterior 3 se somete a pequeñas presiones superficiales. El área A1 de la parte exterior de la carcasa interna 2, cuya área transmite la presión axial, está limitada por una junta hermética 7 dispuesta alrededor del eje 5, limitando por tanto la presión P1 que actúa sobre el área A1, la cual transmite la presión axial. El uso de los medios 7 hace posible la compensación del empuje axial definido con precisión. La compensación del empuje axial puede tener lugar no solo en la carcasa interior 2, sino también en el eje 5, lo cual se describe con más detalle en el documento US-6213710, de Remberg. El empuje axial sobre el eje 5, el cual tiene lugar debido a la diferencia de presión entre la presión de entrada P1 y la presión de salida P2 a través de las cuchillas es compensable al menos parcialmente.
En la figura 2 se muestra una realización a modo de ejemplo de una cuchilla 9 de turbina giratoria con una vista en sección longitudinal a lo largo del eje 9 de la cuchilla. A lo largo del eje de la cuchilla 19, la cuchilla 9 giratoria tiene una parte de raíz 12, con un perfil similar a un martillo. A continuación de la parte de la raíz 12, una placa 17 de la raíz separa la parte de la raíz 12 de la sección 14 de la cuchilla activa, estando limitada por una parte envolvente 15. El valor caliente 4 fluye durante la operación de la turbina 1 a lo largo de la sección 14 de la cuchilla activa, perpendicular al eje de la cuchilla 19. Con la parte 12 de la raíz similar a un martillo, la cuchilla giratoria 9 conjuntamente con las cuchillas 9 de la turbina se insertan en la ranura respectiva 10 del rotor 5, para formar un anillo de cuchillas 20. Las placas 17 de la raíz así como también la envolvente 15 de las cuchillas 9 entran en contacto, de forma que entre las seccione 14 de las cuchillas activas adyacentes se forme una sección del canal.
La figura 3 muestra el desarrollo de un anillo de cuchillas 20 de cuchillas giratorias 9 insertadas en una ranura circunferencial 10 de un rotor 5. A lo largo de la dirección de la circunferencia 21, las cuchillas 9 entran en contacto contra sus placas 17 de la raíz respectivas. Cada cuchilla 9 tiene un borde frontal 22 y un borde trasero 23 en la zona de aguas abajo del borde frontal 22. Las secciones de las cuchillas activas 14 forman un ángulo de la cuchilla \alpha con la dirección del flujo del vapor 4 que circula a través de la turbina 1. El ángulo de la cuchilla \alpha de cada respectivo anillo de cuchillas 20 puede variar para cumplir con las especificaciones respectivas de las turbinas para el flujo del vapor, presión del vapor, temperatura del vapor, extracciones del vapor, etc. Las distinta etapas 16 de la turbina pueden tener también distintos perfiles de la sección transversal de la lección 14 de la cuchilla activa. Puede variar también la forma de las seccione 14 de las cuchillas activas.
La invención está caracterizada por un método de fabricación de turbinas de vapor, por lo que dentro de un rango se utilizan las carcasas de las turbinas estándar de salida de potencia eléctrica y/o rotores de las turbinas estándar, teniendo ranuras estándar para cada etapa, para recibir los alabes de la turbina y las cuchilla giratorias, respectivamente. Por tanto es posible fabricar una pluralidad de estos grandes componentes con antelación a la recepción del pedido de la turbina específica, de forma que puedan mantenerse en las existencias estos grandes componentes de las turbinas. Las distintas especificaciones para una turbina, y en particular la potencia eléctrica de salida, temperatura del vapor, presión del vapor, etc., podrán cumplirse dentro del rango de potencias eléctricas para este tipo de turbina (series de los modelos de turbinas), mediante la definición de la sección de la cuchilla activa de al menos una etapa de la turbina, en particular para todas las etapas de la turbina. Las partes de la raíz de las cuchillas giratorias y las partes de la raíz asignadas a los alabes de la turbina o la estructura de las cuchillas de guía de los alabes de la turbina, en particular de medio anillo de los alabes de la turbina, están también estandarizados para montarse en las respectivas ranuras del rotor de la turbina o de la carcasa de la turbina, respectivamente. Además de ello, si fuera necesario, se encuentran también estandarizados unas piezas de blindaje para los alabes de la turbina y para las cuchillas giratorias.

Claims (6)

1. Un método de fabricación de turbinas de vapor (1),
en el que cada turbina de vapor (1) se extiende a lo largo de un eje de la turbina (18), y que comprende una carcasa (2) y un rotor de turbina (5) para estar montado en forma giratoria dentro de la mencionada carcasa (2),
la mencionada carcasa de la turbina (2) que comprende a lo largo del mencionado eje (18) de la turbina dos o más ranuras circunferenciales (11) para recibir los alabes (9) de la turbina,
el mencionado rotor de la turbina (5) que comprende a lo largo del mencionado eje (18) de la turbina dos o más ranuras circunferenciales (10) para recibir las cuchillas giratorias (8),
cada cuchilla (8) y alabe (9) tienen una sección (12; 13) de raíz respectiva para montar en la mencionada ranura respectiva (10, 11), y teniendo una sección de cuchilla activa (14), comprendiendo el método las etapas de:
\bullet
fabricación de una pluralidad de las mencionadas carcasas (2) y/o el mencionado rotor (5) de la turbina para tener en existencias,
\bullet
definición de la sección de la cuchilla activa (14) de al menos una etapa de la turbina (16) en forma independiente para cada turbina (1), de acuerdo con la especificación del perfil del fluido y de la presión para la turbina respectiva (1).
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, por lo que todas las etapas de la turbina (16) y las secciones de las cuchillas activas (14) están adaptadas para poder cumplir con las especificaciones en particular para cada turbina (1), respectivamente.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que las mencionadas secciones de las cuchillas activas (14) están ajustadas para la predeterminación del ángulo de la cuchilla (\alpha) para cada etapa (16).
4. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las mencionadas turbinas de vapor (1) son turbinas de presión alta o media.
5. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las turbinas (1) que utilizan la misma carcasa (2) y/o el mismo rotor de la turbina (5) difieren en un rango de 200 MW a 400 MW de potencia eléctrica de salida.
6. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las secciones (14) de las cuchillas activas se seleccionan de forma que el empuje ejercido a partir del valor (4) que circula a través de la turbina (1) sobre la turbina (1), en particular el rotor (5) de la turbina, permanece siendo el mismo para cada turbina (1).
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